CN109652086A - 一种海绵城市专用介质及其制备方法与应用 - Google Patents

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CN109652086A CN201811300226.8A CN201811300226A CN109652086A CN 109652086 A CN109652086 A CN 109652086A CN 201811300226 A CN201811300226 A CN 201811300226A CN 109652086 A CN109652086 A CN 109652086A
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王雨思
田维
王水良
唐泓麟
陈健
刘海洋
林路晨
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Abstract

本发明公开了一种海绵城市专用介质及其制备方法与应用，所述专用介质包括碳酸钙粉、褐煤粉、沸石粉、细河沙、珍珠岩、稻壳及碳化谷壳和/或活性炭。所述碳酸钙粉、褐煤粉、沸石粉、细河沙、珍珠岩、稻壳及碳化谷壳和/或活性炭的体积比为：(0.5～2)：(1～3)：(1～3)：(1～3)：(0.1～1)：(0.1～1)：(1～3)。该专用介质在制备海绵城市专用土壤介质中具有广泛的应用前景。与现有技术相比，该介质材料对重金属离子具有良好的吸附作用且可为植物提供多种矿质元素，极利于植物生长。

Description

一种海绵城市专用介质及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及环境科学技术领域，具体涉及一种海绵城市专用介质及其制备方法与应用。
背景技术
海绵城市是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，遇到有降雨时能够就地或者就近吸收、存蓄、渗透、净化雨水，补充地下水、调节水循环；在干旱缺水时有条件将蓄存的水释放出来，并加以利用，从而让水在城市中的迁移活动更加“自然”，不用以前下水道等“灰色设施”。“雨季一来，城市看海”，我国城市目前大多都是快排模式，雨水落在硬化地面上只能从管道中集中快排，强降雨一来，修再多管道也不够用。许多城市几十年前的地面径流系数是0.3，现在是0.7，也就是说现在一下雨70％的水要在地面流淌，许多严重缺水的城市就这么让70％的雨水白白流失了。
针对传统城市开发模式的遗留问题，从“源头减排、过程控制、系统治理”着手，通过城市规划、建设的管控，综合采用“渗、滞、蓄、净、用、排”等工程技术措施，控制城市雨水径流，实现低影响城市开发建设(Low Impact Development，LID)，最大限度地减少由于城市开发建设行为对原有自然水文特征和水生态环境造成的破坏，将城市建设成“自然积存、自然渗透、自然净化”的“海绵体”是一种极佳的选择。
海绵城市利用城市竖向与工程设施相结合，排水防涝设施与天然水系河道相结合，通过地面排水与地下雨水管渠相结合的方式来实现一般排放和超标雨水的排放，可以避免内涝等灾害，目前已成为我国生态城市建设规划中的一个重要组成部分。然而，我国海绵城市理念提出较晚，目前还处于研究初期，现有技术中关于海绵城市的专用介质研究还不够成熟，对环境改善的效果不佳，还需进一步提升。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种既能解决雨后城市内涝问题，又能使绿化植被更好生长的海绵城市专用介质及其制备方法与应用。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种海绵城市专用介质，包括碳酸钙粉、褐煤粉、沸石粉、细河沙、珍珠岩、稻壳及碳化谷壳和/或活性炭。
进一步地，所述专用介质中各物料的粒径不大于10mm，总孔隙率不小于65％，饱和吸水倍率为200～550％，pH为6～7.5。
优选地，所述专用介质总孔隙率为65～85％，pH值为6～7.2。
进一步地，所述碳酸钙粉的粒度≥40目，褐煤粉的粒度≥80目，沸石粉的粒度≥80目。
进一步地，所述稻壳经如下步骤进行预处理：测定稻壳中的含水量，若稻壳的含水量低于60％，则将水浸泡至稻壳中含水量达60～65％后，进行氨化处理，当稻壳表面呈浅棕色且温度降到30～40度之间时判定氨化处理完成；否则，直接进行氨化处理。
优选地，所述氨化处理操作为将尿素溶液或家畜粪尿混合液洒在稻壳堆上。
进一步地，碳酸钙粉、褐煤粉、沸石粉、细河沙、珍珠岩、稻壳及碳化谷壳/或活性炭的体积比为：(0.5～2)：(1～3)：(1～3)：(1～3)：(0.1～1)：(0.1～1)：(1～3)；优选地，所述体积比为：1：2：2：2：0.5：0.5：2。
优选地，所述褐煤粉中腐殖酸质量含量在50％以上。
优选地，所述沸石粉的比表面积不小于1000m2/g。
进一步地，所述碳化谷壳为谷壳经过加热至其着火点温度以下，不充分燃烧而形成的木炭化物质；优选地，所述碳化谷壳为经过水洗后的碳化谷壳。
优选地，所述碳化谷壳为碳化稻壳。
本发明还包括上述海绵城市专用介质的制备方法，包括以下步骤：将所述珍珠岩粉碎后，与碳酸钙粉、褐煤粉、沸石粉、细河沙、稻壳及碳化谷壳和/或活性炭按比例混合后即得所述海绵城市专用介质。
进一步地，所述比例为碳酸钙粉、褐煤粉、沸石粉、细河沙、珍珠岩、稻壳及碳化谷壳和/或活性炭的体积比为：(0.5～2)：(1～3)：(1～3)：(1～3)：(0.1～1)：(0.1～1)：(1～3)；优选地，所述体积比为：1：2：2：2：0.5：0.5：2。
本发明还包括上述海绵城市专用介质在制备海绵城市专用土壤介质中的应用。
进一步地，所述应用包括将海绵城市专用介质与土壤混合的步骤。
进一步地，所述应用包括以下步骤：将待处理区域至少挖出35cm深的土壤后，将上述海绵城市专用介质与挖出的土壤按比例混合后，回填并在回填的土壤中载种植物。
进一步地，所述海绵城市专用介质与土壤按体积比为(0.25～1)：1的比例混合。
进一步地，若载种的植物为花、草和/或灌木，则所述挖出的土壤深度为35～50cm；所述回填厚度为45～55cm(优选为50cm)；若载种的植物为乔木类，则挖出的土壤深度为50cm以上。
本发明的有益效果在于：本发明根据化学、物理学等学科理论为基础对土壤进行升级改良，可实现土壤性状改善，对水的渗透率、化学需氧量(Chemical Oxygen Demand，COD)去除率、出水SS去除率、总磷(Total Phosphorus，TP)去除率、氨氮去除率的提升及土壤酸碱度的平衡。通过本发明方案介质升级改良后的土壤更适合城市污水(雨水等)的排放和净化，改善城市地下水水质，解决雨后城市内涝问题，使绿化植被更好的生长，具有较高的经济价值和社会价值。通过本发明方案改善后的土壤性状无块状物出现且土壤有机质含量(烧失量(Loss on ignition，LOI％))为8～10％，土壤对水的渗透率(短期(三个月内)大于150mm/h，长期(六个月以上)不小于50mm/h)得到了极大提高，采用本发方案的土壤介质改良后的土壤COD去除率最大可达60％以上、出水SS去除率最大可达80％以上，TP去除率最大可达65％以上，氨氮去除率最大可达60％以上，平衡土壤酸碱度(pH6.5～7.5)。通过本发明方案介质改良后的土壤对植被生长具有良好的辅助促进作用，可为各类植物提供有益于其生长的有利条件(如各种矿质元素等)。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式予以说明。
本发明最关键的构思在于：本发明巧妙地将碳酸钙粉、褐煤粉、沸石粉、细河沙、珍珠岩、稻壳及碳化谷壳和/或活性炭复配成专用介质，褐煤粉、沸石粉、蛭石等对重金属离子具有良好的吸附效果，而且碳酸钙、珍珠岩等对土壤具有良好的疏松作用，专用介质中含有植物所需的钙、铁、锰、锌、钼、硼、氯等多种微量元素，极利于植物的生长。
碳酸钙：白色固体，无味、无臭。有无定型和结晶型两种形态。结晶型中又可分为斜方晶系和六方晶系，呈柱状或菱形，相对密度2.71，难溶于水和醇，几乎不溶于水和土壤酸，提高土壤pH值；沉淀土壤水溶性磷；疏松土壤防止板结。
褐煤粉：容重0.7g/cm3左右，褐煤粉以腐殖酸含量超过50％为宜。腐殖酸在土壤中形成胶体，吸附、络合金属阳离子和铵离子，使重金属惰化毒性减小，具有净化水质的作用；腐殖质吸水能力强，可达400％-600％；还可以改善土壤物理结构，增加土壤团粒结构，降低土壤容重，提高土壤持水量和孔隙度。
沸石粉：是一种铝硅酸盐矿物，容重2.1g/cm3左右，具有架状多孔结构，吸水能力和吸附能力都较强。质量好的沸石比表面积以1000m2/g为宜，具有分子筛性质。离子交换量通常为100-320cmol/kg，可以吸附阴离子、阳离子，不仅能疏松土壤，还可以提高土壤缓冲性和离子交换容量，质量高的沸石粉可以吸附去除水体氨氮95％，水溶性磷60％，防止流失污染水体。
蛭石：是一种次生铝硅酸盐矿物，容重0.7-1.1g/cm3左右，具有良好的吸水性，吸水有的可达300％；吸附性、离子交换性也较强，可以吸附去除重金属离子，吸附铵离子、氢离子以及钾、钠、钙、镁、磷酸根等离子。
碳化稻壳或活性炭：容重0.2-0.3g/cm3左右，具有多孔结构，比表面积大，碳化稻壳500-700m2/g，优质活性炭比表面积可达1600m2/g，总孔隙度超过80％，具有较好的吸水性，吸附有机污染物能力强，能够去除水中的COD、BOD，去除率可达90％，基本可去除水中的有机污染物，此外，还能够吸附铵离子、磷酸根离子及重金属离子等。
珍珠岩：是一种玻璃状硅酸盐矿物，容重0.2g/cm3左右，多孔，吸附性较强，其作用主要疏松土壤，增加土壤大孔隙，迅速提高土壤渗透率；使用前将其粉碎。
细河沙：包括二氧化硅颗粒和其他硅酸盐矿物颗粒，容重1.5g/cm3左右，主要用于疏松土壤，增加土壤孔隙度，提高渗透率。
稻壳或粉碎稻草：主要用于疏松土壤，增加土壤孔隙度，提高渗透率，还可增加新鲜有机质，为土壤微生物提供碳源，提高土体的自身净化能力。
一种海绵城市专用介质，包括碳酸钙粉、褐煤粉、沸石粉、细河沙、珍珠岩、稻壳及碳化谷壳和/或活性炭。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：本发明根据化学、物理学等学科理论为基础对土壤进行升级改良，可实现土壤性状改善，对水的渗透率、化学需氧量(ChemicalOxygen Demand，COD)去除率、出水SS去除率、总磷(Total Phosphorus，TP)去除率、氨氮去除率的提升及土壤酸碱度的平衡。通过本发明方案介质升级改良后的土壤更适合城市污水(雨水等)的排放和净化，改善城市地下水水质，解决雨后城市内涝问题，使绿化植被更好的生长，具有较高的经济价值和社会价值。通过本发明方案改善后的土壤性状无块状物出现且土壤有机质含量(烧失量(Loss on ignition，LOI％))为8～10％，土壤对水的渗透率(短期(三个月内)大于150mm/h，长期(六个月以上)不小于50mm/h)得到了极大提高，采用本发方案的土壤介质改良后的土壤COD去除率最大可达60％以上、出水SS去除率最大可达80％以上，TP去除率最大可达65％以上，氨氮去除率最大可达60％以上，平衡土壤酸碱度(pH6.5～7.5)。通过本发明方案介质改良后的土壤对植被生长具有良好的辅助促进作用，可为各类植物提供有益于其生长的有利条件(如各种矿质元素等)。
进一步地，所述专用介质中各物料的粒径不大于10mm，总孔隙率不小于65％，饱和吸水倍率为200～550％，pH为6～7.5；优选地，所述专用介质总孔隙率为65～85％，pH值为6～7.2。
从上述描述可知，本发明方案的有益效果在于：本发明方案的专用介质，饱和吸水率高，具有较高的持水性和透水性，具有较好的抗旱性。
进一步地，所述碳酸钙粉的粒度≥40目，褐煤粉的粒度≥80目，沸石粉的粒度≥80目。
进一步地，所述稻壳经如下步骤进行预处理：测定稻壳中的含水量，若稻壳的含水量低于60％，则将水浸泡至稻壳中含水量达60～65％后，进行氨化处理，当稻壳表面呈浅棕色且温度降到30～40度之间时判定氨化处理完成；否则，直接进行氨化处理。
从上述描述可知，本发明方案的有益效果在于：稻壳长5-10mm、2.5-5mm、厚23-30μm，其色泽呈盗黄色、金黄色、黄褐色及棕红色等。稻壳堆积密度为96-160kg/m3。含水量为12％左右，含碳36％，含氮0.48％，含磷0.32％，含钾0.27％，稻壳与稻草的含量组成情况大致相似，但稻壳的硅酸含量比稻草要高得多。稻壳发酵应先采用尿素“氨化”处理，或用家畜粪尿混用进行氨化处理，才能获得较理想的发酵效应。具体操作如下：调整水分测定稻壳含水量，然后以发酵所需含水量60％为基准，每吨物料加500kg水(浸泡)后，堆积放置24小时以上。氨化处理堆积放置24小时后，稻壳含水量达60～65％时，再把4kg尿素兑50kg水，制成尿素水，均匀地洒在稻壳堆上。直至稻壳表面呈浅棕色，温度降到30-40度之间，即为发酵完成。
优选地，所述氨化处理操作为将尿素溶液或家畜粪尿混合液洒在稻壳堆上。
进一步地，碳酸钙粉、褐煤粉、沸石粉、细河沙、珍珠岩、稻壳及碳化谷壳和/或活性炭的体积比为：(0.5～2)：(1～3)：(1～3)：(1～3)：(0.1～1)：(0.1～1)：(1～3)；优选地，所述体积比为：1：2：2：2：0.5：0.5：2。
优选地，所述褐煤粉中腐殖酸质量含量在50％以上。
优选地，所述沸石粉的比表面积不小于1000m2/g。
进一步地，所述碳化谷壳为谷壳经过加热至其着火点温度以下，不充分燃烧而形成的木炭化物质；优选地，所述碳化谷壳为经过水洗后的碳化谷壳。
优选地，所述碳化谷壳为碳化稻壳。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：碳化谷壳由于碳化过程中会形成碳酸钾导致pH值升至9以上，因此，使用前宜水洗将pH值降低到6.5～7.7后再使用。
本发明还包括上述海绵城市专用介质的制备方法，包括以下步骤：将所述珍珠岩粉碎后，与碳酸钙粉、褐煤粉、沸石粉、细河沙、稻壳及碳化谷壳和/或活性炭按比例混合后即得所述海绵城市专用介质。
进一步地，所述比例为碳酸钙粉、褐煤粉、沸石粉、细河沙、珍珠岩、稻壳及碳化谷壳和/或活性炭的体积比为：(0.5～2)：(1～3)：(1～3)：(1～3)：(0.1～1)：(0.1～1)：(1～3)；优选地，所述体积比为：1：2：2：2：0.5：0.5：2。
本发明还包括上述海绵城市专用介质在制备海绵城市专用土壤介质中的应用。
进一步地，所述应用包括将海绵城市专用介质与土壤混合的步骤。
进一步地，所述应用包括以下步骤：将待处理区域至少挖出35cm深的土壤后，将上述海绵城市专用介质与挖出的土壤按比例混合后，回填并在回填的土壤中载种植物。
进一步地，所述海绵城市专用介质与土壤按体积比为(0.25～1)：1的比例混合。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：根据水质污染程度和土壤粘度、酸度等将专用介质与土壤按恰当比例进行混合。
进一步地，若载种的植物为花、草和/或灌木，则所述挖出的土壤深度为35～50cm；所述回填厚度为45～55cm(优选为50cm)；若载种的植物为乔木类，则挖出的土壤深度为50cm以上。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：本发明方案的海绵城市土壤改良生化透水介质可广泛应用于制备海绵城市专用土壤介质，进而用于构建海绵城市。
本发明的实施例一为：一种海绵城市专用介质是由碳酸钙粉、褐煤粉、沸石粉、碳化稻壳、细河沙、珍珠岩、稻壳组成。将原料根据对应的预处理方法进行预处理(如珍珠岩经粉碎处理，稻壳经发酵处理)，将预处理后的原料按照一定比例充分混合：以体积计：碳酸钙粉粒度为40目，1.5份；褐煤粉粒度为80目，2份；沸石粉粒度为80目，2份；碳化稻壳2mm，2份；细河沙5mm，2份；珍珠岩颗粒5mm，0.5份；稻壳10mm，1份。将上述专用介质与11体积份的土混合后，堆砌密度为500～600kg/m3，经该专用介质升级后的土壤具有优异的吸水性，雨水渗透速率为普通土壤的25-35倍，保水性是普通土壤的30-40倍。
该专用介质的理化指标为：粒径≤10mm，总孔隙率85％，饱和吸水倍率550％，pH值为7.2。有机质含量(LOI％，烧矢量)为8％；瞬时渗透速率为200mm/h；TP去除率(％)80，氨氮去除率(％)75，SS去除率(％)95，COD去除率(％)75。
本发明的实施例二为：一种海绵城市专用的土壤升级介质是由碳酸钙粉、褐煤粉、沸石粉、碳化稻壳、细河沙、粉碎珍珠岩、稻壳组成。将原料根据对应的预处理方法进行预处理(珍珠岩经粉碎处理，稻壳经发酵处理)，将预处理后的原料按照一定比例充分混合：以体积计：碳酸钙粉粒度为50目，1份；褐煤粉粒度为90目，2份；沸石粉粒度为100目2份；碳化稻壳2mm，2份；细河沙5mm，2份；粉碎珍珠岩5mm，0.5份；稻壳10mm，0.5份。将上述专用介质与5体积份的土混合后，该介质堆砌密度为450～500kg/m3，具有优异的吸水性，雨水渗透速率为普通土壤的20-30倍，保水性是一般土壤的20-30倍。该土壤升级介质的理化指标为：粒径≤10mm，总孔隙率75％，饱和吸水倍率400％，pH值6.9。有机质含量(％LOI)6％；瞬时渗透速率(mm/h)120mm/h；TP去除率(％)70，氨氮去除率(％)60，SS去除率(％)70，COD去除率(％)60。
本发明的实施例三为：一种海绵城市专用介质是由碳酸钙粉、褐煤粉、沸石粉、碳化稻壳、细河沙、粉碎珍珠岩、稻壳组成。将原料根据对应的预处理方法进行预处理(珍珠岩经粉碎处理，所述稻壳经氨化处理)，将预处理后的原料按照一定比例充分混合：
以体积计：碳酸钙粉粒度为60目，1份；褐煤粉粒度为120目，2份；沸石粉粒度为80目2份；碳化稻壳2mm，2份；细河沙5mm，2份；粉碎珍珠岩5mm，0.5份；稻壳10mm，0.5份。将上述专用介质与2.5体积份土混合，堆砌密度为550～600kg/m3，具有优异的吸水性，雨水渗透速率为普通土壤的15-20倍，保水性是一般土壤的10-15倍。该土壤升级介质的理化指标为：粒径≤10mm，总孔隙率65％，饱和吸水倍率200％，pH值6。有机质含量(LOI％)3％；瞬时渗透速率(mm/h)50mm/h；TP去除率(％)60，氨氮去除率(％)30，SS去除率(％)30，COD去除率(％)30。
将实施例1～3制得的专用介质用于城市绿化带种植，检测其对植物生长的效果。平均取同一个城市四个位置点(A、B、C和D)，每个位置点取邻近的四块土地，每块区域为2*2m，分别编号为A1、A2、A3、A4、B1……D4，将十六块土地中40cm深的土壤全部挖出，将各位置点中编号尾号为1的土壤用搅拌罐搅拌(对照组)，而尾号为2-4的土壤对应与实施例1～3的专用介质用搅拌罐充分混合(实验组)，其中，各搅拌罐的搅拌速度及时间均一致。
将经搅拌后的土壤填埋回原土地中，填埋厚度为50cm，在填埋的土地上栽种花草灌木，各土地上种植的花草灌木及浇水及除虫害操作等管理一致，每周观察登记一次，观察发现同期内各地理位置处尾号为2-4的实验组土地中病虫害远低于对照组，生长速度明显优于尾号为1的对照组；实验组的植株生命力强健，花期长，枝叶丰满，其中，实验植株整体长势排序为：尾号为3的土地优于尾号为2的土地优于尾号为4的土地。
上述实施例中专用介质的检测方法为淋洗法，截取直径10cm的PVC塑料管55cm，下口用塑料纱网封好，并加入一层药棉，然后加入充分混合后的土壤，加入雨水进行淋滤试验，淋滤管下面用干净容器承接淋滤液，分别测定相关指标，各处理重复3次。
本发明方案中的原料在发酵过程中还可加入微生物进行辅助发酵，本发明方案中所称份数，若无特殊说明均为体积份数；本发明方案中的原料既可经市场直接购得，也可按本发明方法预处理后得到，若未特别说明则可参照现有技术中常规方法预处理后，满足方案所需理化指标即可。
综上所述，本发明提供的一种海绵城市专用介质及其制备方法与应用，该介质材料对重金属离子具有良好的吸附作用且可为植物提供多种矿质元素，极利于植物生长。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种海绵城市专用介质，其特征在于：包括碳酸钙粉、褐煤粉、沸石粉、细河沙、珍珠岩、稻壳及碳化谷壳和/或活性炭。
2.根据权利要求1所述的海绵城市专用介质，其特征在于：所述专用介质中各物料的粒径不大于10mm，总孔隙率不小于65％，饱和吸水倍率为200～550％，pH为6～7.5。
3.根据权利要求1所述的海绵城市专用介质，其特征在于：所述稻壳经如下步骤进行预处理：测定稻壳中的含水量，若稻壳的含水量低于60％，则将水浸泡至稻壳中含水量达60～65％后，进行氨化处理，当稻壳表面呈浅棕色且温度降到30～40度之间时判定氨化处理完成；否则，直接进行氨化处理。
4.根据权利要求1所述的海绵城市专用介质，其特征在于：碳酸钙粉、褐煤粉、沸石粉、细河沙、珍珠岩、稻壳及碳化谷壳和/或活性炭的体积比为：(0.5～2)：(1～3)：(1～3)：(1～3)：(0.1～1)：(0.1～1)：(1～3)；优选地，所述体积比为：1：2：2：2：0.5：0.5：2。
5.根据权利要求1所述的海绵城市专用介质，其特征在于：所述褐煤粉中腐殖酸质量含量在50％以上。
6.根据权利要求1所述的海绵城市专用介质，其特征在于：所述沸石粉的比表面积不小于1000m2/g。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的海绵城市专用介质的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：将所述珍珠岩粉碎后，与碳酸钙粉、褐煤粉、沸石粉、细河沙、稻壳及碳化谷壳和/或活性炭按比例混合后即得所述海绵城市专用介质。
8.一种如权利要求1-6任一项所述的述海绵城市专用介质在制备海绵城市专用土壤介质中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：包括以下步骤：将待处理区域至少挖出35cm深的土壤后，将上述海绵城市专用介质与挖出的土壤按比例混合后，回填并在回填的土壤中载种植物。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述海绵城市专用介质与土壤按体积比为(0.25～1)：1的比例混合。
CN201811300226.8A 2018-11-02 2018-11-02 一种海绵城市专用介质及其制备方法与应用 Pending CN109652086A (zh)

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